基于WiFi的移動養蜂車溫濕度采集終端設計與實現

孔亞廣　郭斌

摘 要：養蜂環境直接影響到蜂產品的質量。為了方便快捷地采集移動養蜂車的溫濕度數據，為后續的蜂產品質量追溯留下線索，設計一款基于STM32F103VET6和WiFi技術的智能溫濕度采集終端。詳細分析了系統的功能并給出總體設計方案，介紹了各功能模塊的原理及具體實現方法，給出了系統的軟件設計流程圖。測試結果表明，系統性能穩定，能夠實時顯示數據并快速刷新界面，在移動環境下能夠快速組建網絡并實時傳輸數據到手機客戶端，具有一定的應用價值。

關鍵詞：WiFi；數據采集；STM32；移動養蜂車；FatFS文件系統

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2015）04-00-03

0 引 言

由于生態環境的變化，當前蜂農生產越來越傾向于轉地生產，因而移動養蜂車的應用越來越廣泛。養蜂車上蜂箱及蜂產品存儲的溫濕度等對蜂產品質量有著重要的影響，因此采集養蜂車的溫濕度具有重要意義。而移動養蜂車是一個相對孤立并且可移動的平臺，要在這個移動平臺上采集蜂箱內的溫濕度并傳輸到Internet，就必須無線實時采集并傳輸數據。目前，智能手機因其價格便宜、智能方便成為人們隨身攜帶的通信工具。那么，我們可以考慮讓蜂農通過手機來采集養蜂車上的溫濕度數據，并通過3G數據網絡將溫濕度數據傳輸到Internet。如今的智能手機，集成了多種無線傳輸的功能，包括藍牙、3G、NFC（近場通信）和WiFi。那么，該選擇哪種無線網絡來實現溫濕度數據無線傳輸到手機端呢？表1對這幾種無線通信技術進行了比較[1]。

表1 幾種無線通信技術的比較

藍 牙 3G NFC WiFi

頻帶許可 無需許可 需要許可 無需許可 無需許可

適用范圍 5～10 m 國家級覆蓋 ≤0.2 m 50～150 m

傳輸速率 1～2 Mb/s 最高2 Mb/s 最高1 Mb/s 11～54 Mb/s

系統費用 較低 極高 很低 較低

建立時間 3～10 s <1 s 0.1 s 3 s

功耗 ≤100 mW >1 W ≤1 mW >1 W

考慮到3G的費用極高，藍牙和NFC的傳輸距離太短并且傳輸速度慢，而WiFi的傳輸距離能達到百米，并且傳輸速度很快，組網方便快捷[2，3]，我們采用WiFi無線傳輸技術，將嵌入式采集模塊采集的數據實時傳輸給手機端，實現對移動養蜂車的溫濕度數據的實時監控。

1 系統總體方案的設計

系統采用意法半導體公司的STM32作為整個嵌入式系統的CPU，STM32系列處理器基于ARM Cortex-M3內核[4]；采用DHT11溫濕度傳感器實時采集養蜂車內環境溫濕度情況；人接交互采用的是TFT LCD觸摸屏，方便對網絡模式及IP地址等參數進行選擇和設定；采集的數據通過WiFi無線傳輸給手機端，這里我們采用的是專門的串口WiFi模塊；蜂農使用安卓智能手機將采集的數據接收并且存儲下來，通過自主開發的手機客戶端軟件實現這種WiFi網絡通信。最后，作為功能擴展，手機可以通過3G移動網絡將溫濕度數據傳輸到互聯網上，方便遠程監控和數據跟蹤。系統總體方案架構如圖1所示。

1.1 系統硬件架構

本系統選用STM32F103VET6作為主控的MCU，該芯片功能強大，性價比高，內置64 KB的SRAM和512 KB的Flash[5]。選用該芯片還有一個重要的原因就是，它擁有靈活的靜態存儲控制器FSMC接口，通過該接口連接TFT-LCD觸摸屏，可以實現快速的數據讀寫，使LCD界面顯示更加流暢，獲得良好的人機交互體驗；選用2.8寸的TFT-LCD觸摸屏模塊，模塊板載了ILI9325液晶屏控制器和XPT2046觸摸屏控制器；系統板載了兩種供電接口，DC-DC（6～16 V直流穩壓電路）接口和USB供電接口；板載了兩種下載接口，JTAG下載和USB轉串口的ISP下載接口；系統擴展的外部存儲電路包括E2PROM芯片AT24C02和SPI Flash芯片W25Q64；選用基于單總線的數字溫濕度傳感器DHT11采集溫濕度數據；最后，選用Hi-Link公司的HLK-RM04串口WiFi模塊，實現采集數據無線傳輸到手機端。硬件架構如圖2所示：

1.2 系統軟件架構

系統軟件主要涉及到動態內存管理、FatFS文件系統移植、AT24C02掉電保護程序、W25Q64 SPI Flash驅動程序、DHT11溫濕度采集驅動、TFT-LCD觸摸屏驅動程序及串口WiFi驅動程序等幾大模塊。這幾大模塊與STM32主控部分構成系統的軟件架構圖如圖3所示，系統的程序流程圖如圖4。

2 供電與下載電路

本系統配有專門的供電以及下載電路。供電包括一個外部電源輸入口DC_IN和一個USB供電口。DC_IN采用標準的直流電源插座，電路中采用DC-DC降壓芯片，支持DC6-16 V的寬電壓輸入。USB供電口則采用mini USB接口，這種接口，對于無論是養蜂車車體內USB電源輸出接口還是車上自帶的太陽能供電系統，都能方便地接入，給采集終端供電。

下載也預留了兩種接口，JTAG下載和USB轉串口ISP下載。JTAG是常用的ARM程序下載接口，而能夠供電的USB接口也能夠實現程序下載。USB接口連接CH340G芯片，能夠實現USB轉串口的ISP下載。

3 DHT11溫濕度采集模塊

終端板載了一款單總線的數字溫濕度傳感器DHT11，它不但能測溫度，還能測濕度。DHT11包括一個電阻式測濕元件和一個NTC測溫元件。DHT11與單片機之間能采用簡單的單總線進行通信，僅僅需要一個I/O口[6]。傳感器內部溫度和濕度數據以40 B為一幀通過串行方式一次性傳輸給單片機，數據采用校驗和方式進行校驗，能夠有效地保證數據傳輸的準確性。DHT11的功耗很低，在5 V的電源電壓下，平均電流0.5mA。硬件電路如圖5。

DHT11的數據格式，它采用單總線的數據格式，單個數據引腳端口完成輸入輸出雙向傳輸。其數據包由5個字節 （40B）組成。數據分小數部分和整數部分，一次完整的數據傳輸為40 B，高位先出。DHT11的數據格式如下，其中校驗和為前四字節相加：

8 b濕度整數數據+8 b濕度小數數據+8 b溫度整數數據+8 b溫度小數數據+8 b校驗和

作為一種新型的單總線數字溫濕度傳感器，DHT11具有體積小、響應速度快、抗干擾能力強、接口簡單、功耗低和性價比高等優點，能廣泛應用于智能監控和家電消費品等領域[7]。

4 串口WiFi模塊

本系統選用串口WiFi模塊HLK-RM04作為無線傳輸的解決方案。HLK-RM04模塊是Hi-Link公司推出的一款低成本嵌入式WiFi模塊，該模塊是基于串口的符合網絡標準的嵌入式模塊，內置TCP/IP協議棧和WLAN無線網絡協議棧，能夠實現用戶串口、以太網、無線網（WiFi）3個接口的數據轉換。本系統只需使用HLK-RM04的串口轉WiFi功能，完成串口數據的無線傳輸。

HLK-RM04有3種工作模式：串口以太網（ETH-COM）、串口無線網卡（COM-WiFi STA）和串口無線接入點（COM-WiFi AP），每個模式又包含：TCP服務器、TCP客戶端、UDP服務器、UDP客戶端4個子模式。在本系統中，使用串口無線接入點（COM-WiFi AP）模式。在該模式下，模塊的WLAN和LAN口將關閉，僅開啟WiFi，作為無線接入點（WiFi AP），允許其他WiFi設備（智能手機、PAD、筆記本等）連接到本模塊，實現串口與其他設備之間的無線（WiFi）數據轉換互傳。

串口無線接入點模式下，模塊通過WiFi連接智能手機。模塊作為WiFi AP，智能手機做WiFi STA，模型如下圖6所示。

我們在手機客服端將手機設置成TCP Client（客戶端模式），同時通過TFT觸摸屏將各個HLK-RM04 WiFi模塊設置成為TCP Server（服務器模式）。WiFi模塊處于TCP模式并處于服務器模式時，其他TCP客端設備（手機、PAD等）可以主動的連接模塊。模型如圖7所示。

該WiFi模塊有兩種工作模式，AT指令模式和透明傳輸模式。在無線傳輸數據（透明傳輸）之前，必須通過AT指令來設置網絡參數等信息。

在AT指令模式下，可以通過串口的AT指令對系統參數進行配置。模塊支持的AT指令多達幾十個，在此不一一列舉。指令格式如下：

At+[command]=[value]＼r

根據不同的命令，模塊將返回不同的返回值。

例如：”at+remoteip=192.168.11.100＼r”表示設置遠端IP地址為192.168.11.100。

例如：”at+remoteip=？＼r”表示查詢遠端IP地址。

在透明傳輸模式下，HLK-RM04模塊可以實現UART接口和WiFi無線網絡接口中數據的透明傳輸。模塊可以自動地將串口數據封裝成TCP/IP數據包，也可以將網絡數據包轉換成串口可識別的數據。模塊完成這種串口數據包與網絡數據包轉發功能的流程圖如圖8所示。

5 FatFS文件系統移植

為了方便外部Flash中字庫文件的讀取和寫入，引入了FatFS文件系統。FatFS是一個完全免費開源的FAT文件系統模塊，專門為小型嵌入式系統而設計[7]。它完全用標準C語言編寫，因此具有良好的硬件平臺獨立性，可以移植到8051、PIC、AVR、ARM等系列單片機上而只需做簡單的修改。它支持FAT12、FAT16和FAT32，支持多個存儲媒介；有獨立的緩沖區，可以對多個文件進行讀和寫，并且特別對8位單片機和16位單片機做了優化。

FatFS模塊的層次結構圖如圖9所示。最頂層是應用層，使用者無需理會FatFS的內部結構和復雜的FAT協議，只需要調用FatFS模塊提供給用戶的一系列應用接口函數，如f_open，f_read，f_write和f_close等，就可以像在PC上讀/寫文件那樣簡單。中間層FatFS模塊，實現了FAT文件讀/寫協議。FatFS模塊提供的是ff.c和ff.h。除非有必要，使用者一般不用修改，使用時將頭文件直接包含進去即可。

需要編寫移植代碼的是FatFS模塊提供的底層接口，包括存儲媒介讀/寫接口和供給文件創建修改時間的實時時鐘。

FatFS源碼可以在官方網站下載到。下載到FatFS軟件包后，解壓可得到兩個文件：doc和src。doc里面是對FatFS的介紹，src里面才是我們需要的源碼，FatFS源碼的文件組成見表2。

移植FatFS的時候，只需要修改2個文件，ffconf.h和diskio.c。FatFS模塊的所有配置項都在ffconf.h里面，通過配置里面的一些選項來滿足自己的需求。FatFS的移植大致分為如下3步：根據具體編譯器，在interger.h里面定義好數據的類型；通過ffconf.h配置FatFS的相關功能，滿足系統需要；在diskio.c里面編寫底層驅動函數，實現物理磁盤的讀寫等。

6 測試

系統接上電源后，會逐步配置WiFi網絡各項參數，我們通過觸摸屏將采集終端設置成TCP服務器模式，IP地址設為192.168.16.254，通信端口號為8086，建立好WiFi網絡（網絡名稱為“HLK-RM04養蜂車”）。手機連接HLK-RM04無線網絡后，打開通信客戶端軟件，選擇TCP客戶端模式，按照以上IP地址和端口號連接到采集終端。接下來就可以用進行溫濕度的采集了。下面圖10與圖11就是TFT-LCD的實時顯示界面和手機上采集軟件的界面截圖：

7 結 語

近年來，物聯網在人們生活中的應用越來越廣泛。WiFi技術作為物聯網的一項關鍵技術，因其快捷方便、無需布線等特點越來越受到人們的青睞。本文順應這種趨勢，介紹了一種基于WiFi組網技術的溫濕度采集終端的設計和實現方法。系統經測試后，運行效果良好，具有一定的應用價值。當然，該設計方案還有很多可以改進的地方，比如通過WiFi自組網實現多個采集終端的數據轉發實現中長距離的WiFi數據傳輸以解決WiFi傳輸距離短的問題等。總之，該設計方案很好地體現和深化了“物聯網”的含義，優化后可用于智能家居、遠程監控等諸多領域。

參考文獻

[1]王朝煒，王衛東.物聯網無線傳輸技術與應用[M].北京：北京郵電大學出版社，2012.

[2]汪濤.無線網絡技術導論[M].北京：清華大學出版社，2012.

[3]董健.物聯網與短距離無線通信技術[M].北京：電子工業出版社，2012.

[4]姚文詳.ARM Cortex-M3權威指南[M].北京：北京航空航天大學出版社，2009.

[5]劉軍，張洋.STM32開發之南-庫函數開發版本[M].北京：北京航空航天大學出版社，2012.

[6]韓英梅，趙建平.基于DHT11的無線溫濕度傳感器網絡節點的設計[J].井岡山大學學報，2010，31（5）：67-70.

[7]李世奇，董浩斌.基于FatFs文件系統的SD卡存儲器設計[J].測控技術，2011，30（12）：79-81.

[8]倪天龍.單總線傳感器DHT11在溫濕度測控中的應用[J].單片機與嵌入式系統應用，2010（6）：60-62.